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Corso di Telematica - 30 Aprile 2004

http://culture.deis.unical.it

Trasmissione Satellitare“Historical Overview and Architectures”

Corso di Telematica(Ingegneria Informatica)

Calabria UniversityLaboratory on

TelecommUnicationResearch Engineering

Web site http://culture.deis.unical.it

Ing. Pasquale Pace



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Satellite System Architecture

Stazione trasmittente Stazione ricevente

Up Link Down Link

Segm

ento

terr

eno

Segm

ento

spaz

iale

Stazione dicontrollo (TT & C)

Connection Admission

Control

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Schemi di accesso multiplo

Il problema è ovviamente sul segmento di uplink!!!!!!!FDMA (Frequency Division Multiple Access)

TDMA (Time Division Multiple Access)

MF-TDMA (Multi Frequency – Time Division Multiple Access)

CDMA (Code Division Multiple Access)

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FREQUENZA

TEMPO

FREQUENZA

TEMPO

FREQUENZA

TEMPO

FDM TDM

CDM



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Trasmissione Satellitare“Sistemi di ultima generazione”

Corso di Telematica(Ingegneria Informatica)

Calabria UniversityLaboratory on

TelecommUnicationResearch Engineering

Web site http://culture.deis.unical.it



I satelliti sono ottimi sistemi per diffusione video e/o radio; inoltre, servono zone dove non arrivano ne’ fibra ottica ne’ radiomobile: poco popolate, suburbane, in via di sviluppo.Sono di rapida installazione e di immediato inizio di funzionamento.

Sui satelliti per TLC sono montate una o piu’ antenne che hanno un fascio di radiazione che illumina una “cella” a terra detta FOV (Field of View).

Sappiamo che l’area del FOV e’ direttamente proporzionale al quadrato della lunghezza d’onda λ utilizzata e della distanza R del satellite da terra e inversamente proporzionale all’area At dell’antenna di bordo.

Utilizzo dei satelliti per TLC

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RA

At

FOVλ

=

Dunque, per avere FOV piccoli, utili per un efficace riuso delle stesse frequenze perservire piu’ utenti, e’ necessario avere antenne grandi.Tuttavia, per avere grande copertura, e’ necessario che le antenne possano generare fasci multipli che con i loro FOV ricoprano vaste aree (p.e. un intero continente).

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Frequenze: L -S : 1.6 - 3; C: 5; Ku: 10 - 12; Ka: 18 - 30 GHz

Al crescere della frequenza: le dimensioni fisiche dell’antenna decrescono a pari FOV, e c’ e’ più disponibilità di spettro, ma pioggia e nuvole attenuano di piu’. La flessibilita’ numerica (fasci d’antenna, bit rates) permette di illuminare dove e quanto serve, pur non superando potenze di picco preassegnate.

Per accesso diretto al mobile e’ piu’ facile operare in bande S e L che a frequenze maggiori: fenomeni di poca visibilita’ e diffrazioni impedirebbero spesso il collegamento.

Per le altissime frequenze, e’ meglio avere un’antenna fissa e collegarvisi p.e. mediante Bluetooth. Quindi sistemi trasportabili piuttosto che mobili.

Un indubbio vantaggio nell’utilizzare frequenze alte è la possibilità di trasmettere in up-link (da terra al satellite) con antenne piccole (dato il più alto guadagno ottenibile a pari area)

Le frequenze utilizzate



Satelliti GEO di prossima generazione

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Coperture per Sistema Regionale

Mobile Multi-spot beam coverageS-Band

Gateway coverageKa Band



Il calcolo della potenza da trasmettere nel collegamento dal satellite verso terra (down-link) o, viceversa da terra al satellite (up-link) viene generalmente indicato con il termine link-budget.

Analizziamo ora tutti parametri coinvolti nel calcolo del link-budget nel caso di trasmissione numerica.

Si parte dai requisiti di Eb/No (in funzione della costellazione usata e della probabilita’ di errore desiderata) che sono un dato del problema e che indicheremo come (Eb/No )d

Si ricordi che Eb e’ l’energia necessaria per trasmettere 1 bit e che No e’ la densita’ spettrale di potenza del rumore termico. Quest’ultima dipende dalla temperatura fisica assoluta (espressa in gradi Kelvin = gradi centigradi + 273) degli oggetti compresi nel FOVdell’antenna tramite la costante di Boltzman che vale k=1.38x10-23.Nel calcolo del link budget si usa, poi, una temperatura piu’ alta di quella fisica per tener conto di altre sorgenti di rumore. La temperatura di rumore T e’ un dato del problema e:

Il link budget (1)

TkTNo231038.1 −⋅==

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La relazione tra energia per bit e potenza Ps del segnale passa attraverso la cadenza di bitche si vuole trasmettere. La potenza del segnale è infatti l’energia per bit divisa per la “durata” del segnale necessario a trasmettere il bit. La cadenza di bit f esprime il numero di bit al secondo che si vogliono trasmettere e dunque1/f è proprio la “durata” del segnale necessario a trasmettere il bit.

Il link budget (2)

fETE

P bb

bs ==

Da qui la relazione: kTfP

NfP

NE s

o

s

o

b ==

Se dunque si vuole garantire un certo rapporto (Eb/No )d è necessario disporre di una potenza di segnale al ricevitore pari a:

kTfNE

Pdo

bs

=



Il link budget (3)

2

2

222 )4(4 RPGG

RAGP

RAAPP trtrttrtt

r πλ

πλ=== 2

4λπAG =

Il legame tra potenza trasmessa Pt e ricevuta Pr può essere espresso indifferentemente dalle seguenti uguaglianze dove At e Ar indicano l’area delle antenne di trasmissione ericezione e Gt e Gr indicano il loro guadagno:

Dalla prima possiamo scrivere che: rr

rrt

t PA

FOVPAA

RP ==22λ

Infine, sfruttando la relazione che da la potenza al ricevitore in funzione del bit-rate, della densità spettrale di potenza del rumore e di (Eb/No )d possiamo scrivere che:

kTfNE

AFOVkTf

NE

AARP

do

b

rdo

b

rtt

=

=

22λ

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Esempio di link budget

Prendiamo l’esempio di un canale televisivo digitale trasmesso via satellite. • Il valore desiderato (Eb/No )d = 7dB, (cioè 10log10 (Eb/No )d = 7 e quindi (Eb/No )d =5.01≅ 5 )• Il bit-rate vale circa 60Mbit/sec.• L’area dell’antenna di bordo circa 3.5m2

• L’area dell’antenna di terra circa 0.3m2 (la classica parabolina di 60cm di diametro). • La temperatura equivalente di rumore T=1000 Kelvin• Il satellite è geostazionario e quindi in orbita equatoriale con distanza di circa 36000km.

La distanza dal ricevitore alle nostre latitudini diventa circa R=38000km. • La frequenza di trasmissione è circa 10GHz

( ) ( ) ( ) ( )( ) W

kTfNE

AARP

do

b

rtt

12.510001038.110653.05.3

03.0108.3 237227

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=⋅⋅⋅⋅⋅

⋅=

=

=

−

λ



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GroundStation URBAN

AREA

SUB - URBAN AREARURAL

AREA

TerminalsFixed

Transportable

Portable MobileBit rate

Convergence, IntegrationInternetworking

Evoluzione del ruolo dei sistemi Satellitari

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Alcuni problemi tecnici

• Propagation Delay• Limited bandwidth• Transmission Errors• Transmission Power

Note: LEO/MEO not so interesting now

GEO

MEO

LEO

terrestrial



Broadband access using ATM

• For many years, satellite networking technologies have followed the terrestrial network technologies

• In 1990s, significant works have been done on ATM over satellites

• Based on Transparent (bent pipe) or on-board ATM switch satellites

• The ATM based broadband access is fading away, due to the limited capacity and availability of ATM terminals and applications

• ATM is considered as backbone technology

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Broadband access using DVB• Recently, satellite broadcasting services based on DVB-S and DVB-

RCS reach millions of users/terminals– Transport IP traffic over DVB-S with return channel using

terrestrial link (such as telephone line)– And over DVB-RCS with return channel over satellite

Server ClientDVB Packet incapsulation

Incapsulation over forward link



S-UMTS (Satellite 3G)

• Complimenting the Terrestrial UMTS (T-UMTS) in different operation environment– Maritime & Aeronautical: S-UMTS– Open rural, highway & Suburb: T- & S-UMTS– Urban & Indoor: T-UMTS

• Terminal and Services– Mobile and portable terminal up to 384 Kbit/s– Fixed broadband access up to 2 Mbit/s– Voice, data, video and multimedia

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S-UMTS Architecture concepts

TerrestrialRepeaters

W-CDM

A

Multicast

W-C

DMA

Mul

ticas

t

GroundStation

Feeder link

URBAN AREASUB - URBAN

AREARURAL AREA

GPRSEDGE

T-UMTS

GSM/GPRSGSM/GPRS

W-CDMA

2G/3G Cellularnetwork

Contribution network

IP WORLD



Il futuro vicino:Ericsson/MMS: Proposta per Satellite per S - UMTS

5-17 kW power; 7-10m antenna160 fasci Ø ≈ 200 Km banda S

16 fasci regionali Ka; OBP; 10-20 fasci mobili

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Moreover links and papers

1. Ramjee Prasad, "A survey of future broadband multimedia satellite systems, issues and trends", IEEE Communications Magazine, no. 6, June 2000 pp. 128-133

2. Abbas Jamalipour, Tracy Tung, "The role of satellites in global IT: Trends and implications", IEEE Personal Communications, no. 3, June 2001 pp. 5-11

3. H. Skinnemoen, H. Tork, "Standardization activities within broadband satellite multimedia", ICC 2002 - IEEE International Conference on Communications, no. 1, April 2002 pp. 3010-3014

4. Enrico Del Re, Luca Simone Ronga, Laura Pierucci, "Trends in satellite communications", ICC 2002 - IEEE International Conference on Communications, no. 1, April 2002 pp. 2983-2988

5. Joseph N. Sivo, "Advanced Communications Satellite Systems", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, no. 4, September 1983 pp. 580-588

6. Joseph N. Pelton, "Satellite communications 2010", MILCOM 2001 - IEEE Military Communications Conference, no. 1, October 2001 pp. 671-676

7. http://www.euroskyway.it

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